基于PIN型光電轉換電路的噪聲研究

管敏杰， 趙冬娥

（中北大學 電子測試技術重點實驗室， 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室， 山西太原 030051）

0 引言

噪聲普遍存在于電子測試系統中，它的來源是多方面的，有熱噪聲、散粒噪聲、產生-復合噪聲和1/f噪聲等由探測器引起的噪聲，有信號輻射和環境光引起的光子噪聲，也有電路設計引入的系統噪聲。在對微弱信號的測試過程中，被測的微弱信號常常被埋沒在各種各樣的噪聲中，把信號和噪聲分離及提取，是保證測量結果正確的關鍵。光電轉換電路作為微弱信號測量系統的入口，對其進行減噪處理就顯得尤為重要，它將直接影響到后續電路的信號處理及整個測量系統的準確性。

1 光電轉換電路原理

本文研究的是基于PIN型光敏管的光電轉換電路，其設計原理圖如圖1所示。圖1中，PIN型光敏二極管受到光信號的照射，產生光電流，根據運算放大器“虛斷”和“虛短”的特性[1]，光電流只是流入了反饋回路，并在反饋電阻上產生了壓降，從而將電流信號轉換成了電壓信號，即完成了光電轉換的處理[2]。隨后的電路將對該電壓信號進行濾波、增益放大、采集和顯示等一系列處理。

圖1 基于PIN型光敏管的光電轉換電路圖

2 光電轉換電路中的噪聲

2.1 光電探測器的噪聲

2.1.1 熱噪聲

式中，k為波爾茲曼常數；T為熱力學溫度；R為器件電阻值；?f為測量頻帶寬度。

熱噪聲普遍存在于任何導體與半導體中，它屬于白噪聲。降低溫度和壓縮頻帶寬度能減少噪聲功率。

2.1.2 散粒噪聲

散粒噪聲是由于光電探測器在光輻射作用或熱激發下，光電子或載流子隨機產生所造成的。由于隨機起伏是一個一個的帶電粒子或電子引起的，故稱為散粒噪聲，其均方電流為：

式中，e為電子電荷；I為器件輸出平均電流；?f為測量頻帶寬度。

散粒噪聲存在于所用真空發射管和半導體器件中，屬于白噪聲。

2.1.3 產生-復合噪聲

產生-復合噪聲又稱為g-r噪聲，是由于半導體中載流子產生和復合的隨機性而引起的載流子濃度的起伏。其噪聲均方電流是：

式中，I是總的平均電流；M是光電增益；?f是測量頻帶寬度；ω =2π f （f是系統的工作頻率）；τc為載流子平均壽命。

產生-復合噪聲不是白噪聲，而是低頻限帶噪聲，是光電探測器的主要噪聲源。

2.1.4 1/f噪聲

1/f噪聲又稱為電流噪聲（閃爍噪聲[4]），它是一種低頻噪聲（1 kHz以下低頻區），其功率譜近似與頻率成反比。它的電流均方值表示為：

式中，I是器件輸出平均電流；f是工作頻率；α、β和c是常數。

2.2 運算放大器的噪聲

理想的運放組件，當輸入信號為零時，其輸出信號也為零，但實際器件中，由于內部結構參數的不完全對稱，導致輸出信號不為零，這就是所謂的失調現象。運算放大器的噪聲主要是它的輸入失調電壓和輸入失調電流引起的電路噪聲。

輸入失調電壓是使輸出電壓為零時在輸入端所加的補償電壓[5]；輸入失調電流是指當輸入信號為零時，運算放大器兩個輸入端的偏置電流之差。

3 影響電路噪聲的主要因素

3.1 處理電路的帶寬

在探測器產生的噪聲中，1/f噪聲和產生-復合噪聲是屬于低頻區噪聲，與頻率有關；而熱噪聲和散粒噪聲是白噪聲，兩者與頻率無關，與頻帶的寬度有關。因此，可以結合信號頻譜特性來合理設計高通濾波器，減小噪聲的影響。

3.2 光電二極管的特性

光電二極管影響噪聲的參數主要是結電容和并聯電阻。結電容主要由兩個因素影響，一方面是與結面積成正比（即光電探測器的面積大小），另外一方面是與反偏電壓成反比（即PN結耗盡層寬度）。結電容不僅影響噪聲帶寬, 而且影響噪聲的大小，光電二極管的結電容越小，帶寬越寬，而大的并聯電阻能減小光電二極管的暗電流。

3.3 光電二極管的工作模式

光電二極管有兩種工作模式，即零偏置模式和反偏置模式[6]。零偏置（光伏模式）其線性度好，沒有暗電流，噪聲低（主要是元器件的熱噪聲），應用于精密測量；反偏置（光導模式）是非線性工作，有暗電流，噪聲較高（熱噪聲加導電的散粒噪聲），但具有較高的響應速度，應用于高速測量。

3.4 集成運放的性能

運放的失調電壓、失調電流、等效輸入噪聲電流和電壓影響著噪聲的大小。

失調電壓和電流雖然能通過電路對其進行一定的補償，但其隨溫度的漂移會在輸入端產生噪聲，因此要選擇具有低的輸入失調電壓、電流，高的輸入阻抗及高的共模抑制比的運放，例如AD8571 的輸入偏執電流為20～70 pA,輸入偏執電壓為1 μV，共模抑制比達到120～140 dB，可以滿足I/V轉換輸入級對運放性能的要求[7]。

等效輸入噪聲電流中產生的噪聲電流是總噪聲電流的主要部分，其表達式[8]是：

從中可見，增加反饋電阻，可以減小輸入噪聲電流；增加反饋電容，可以減小噪聲帶寬，進而減少輸出噪聲電壓。

4 減小電路噪聲的措施

1）合理選擇PIN型光電二極管，使得其結電容和并聯電阻盡可能大，減小噪聲帶寬。此外，對于精密測量，選擇零偏置工作狀態，減小暗電流噪聲的影響。

2）選用性能好的運算放大器（低失調電壓、電流，高共模抑制比），可選用儀表放大器，例如AD623[9]。此外，電源接入處加旁路電容，減少高頻信號的干擾。

3）適當增加反饋電阻和反饋電容。反饋電阻的增加，既有利于信噪比的改善,也提高了電流、電壓轉換的轉換系數；反饋電容的增加，可以限制高頻段噪聲的增益，降低噪聲頻帶，同時能避免電路的自激振蕩，并具有一定的濾波作用。

4）光電二極管補償技術[10]。利用兩個光電二級管，一個作為主探測器，另一個作為補償探測器，對環境光進行補償，利用差分對接技術來實現。可以減少一定的環境光噪聲的干擾。

5）屏蔽外界干擾。由于外界一般都存在電磁波信號等，因此需要金屬外殼對電路進行屏蔽處理。

5 結論

在光電轉換電路中，一定存在著一些噪聲，如何有效的減少噪聲是提高測量結果準確性的關鍵。噪聲的種類多種多樣，所采取的減噪方法也各有不同。在實際應用中，應該根據噪聲各自的特點，結合系統測量的要求，綜合利用各種方法來優化系統，已達到最佳減噪效果，確保測試系統的精度。

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